Energia nucleare Forma di energia immagazzinata nel nucleo dell’atomo, responsabile dei legami che tengono uniti i suoi costituenti. Tali legami sono realizzati mediante l’interazione forte, la più intensa tra le quattro forze fondamentali esistenti in natura. Nel corso di determinate reazioni nucleari, parte di questa energia viene liberata all’esterno sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione o di radiazione elettromagnetica; può quindi essere raccolta e convertita in altra forma per usi commerciali, scientifici e militari.

L’inizio dello sfruttamento dell’energia nucleare per la produzione di energia elettrica risale agli anni Cinquanta del XX secolo. Di decennio in decennio si è andata affermando come una promettente forma di energia alternativa alle fonti convenzionali non rinnovabili, soprattutto in virtù della sua convenienza economica. Poi, in seguito agli storici incidenti di Three Miles Island e di Černobyl, la proliferazione dei reattori nucleari ha subito un rallentamento. Oggi la percentuale di energia elettrica di origine nucleare nel mondo rappresenta circa il 17% del totale; in Italia, non si produce energia nucleare dal 1987, data del referendum popolare che ne ha deciso la messa al bando.

Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dell’atomo. Esso è costituito infatti da protoni e neutroni, che sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che vi ruotano intorno. Il numero di queste particelle, dette complessivamente nucleoni, è specificato dal numero di massa A, dato dalla somma del numero di protoni, Z, e di quello di neutroni, A-Z. Per indicare un nucleo atomico si usa in genere la notazione ¿κ, dove K rappresenta l’elemento chimico, A il numero di massa e Z il numero atomico. L’espressione ²³⁵U, ad esempio, rappresenta l’isotopo dell’uranio di numero di massa 235 (in questo caso Z, che vale 92, è sottinteso).

L’energia di legame media

Un parametro fondamentale per capire attraverso quali reazioni si può estrarre energia dal nucleo è l’energia di legame media per nucleone, definita come il rapporto tra l’energia di legame complessiva di un nucleo e il numero di nucleoni A. Se si rappresenta questo parametro al variare del numero di massa A, si osserva che il grafico presenta un massimo in corrispondenza di un valore di A prossimo a 60, vale a dire intorno al nucleo del ferro. Questo significa che il nucleo del ferro è più strettamente legato di qualunque altro nucleo. La curva è crescente per i nuclei con A minore di 60 e decrescente per quelli con A maggiore dello stesso valore. Le reazioni che possono avvenire con vantaggio energetico, quindi, sono quelle di fusione tra nuclei leggeri che diano come risultato un nucleo non più pesante del ferro, e quelle di fissione di nuclei molto pesanti, i cui frammenti non siano più leggeri del ferro: è in queste reazioni che viene liberata energia, in quantità pari alla differenza di energia di legame tra i prodotti e i reagenti.

Fusione e fissione

Dunque, risulta evidente che due sono i processi nucleari che si possono sfruttare per produrre energia: la fissione di nuclei pesanti e la fusione di nuclei leggeri.

Ad esempio, dalla reazione di fusione di due nuclei di deuterio, o idrogeno pesante (ªH),

 

si ottiene un nucleo di elio 3, un neutrone libero (¦n), e una quantità di energia nucleare pari a 3,2 MeV, cioè 5,1 × 10^-13 J. Dalla fissione del nucleo ²³⁵U, indotta dall’assorbimento di un neutrone,

 

si ottiene invece cesio 140, rubidio 93, tre neutroni e un’energia nucleare di ben 200 MeV, cioè 3,2 × 10^-11 J.

Al momento, l’unico processo che possa essere attuato con vantaggio economico è quello della fissione: su di esso sono basati tutti i reattori commerciali oggi in funzione nel mondo. La fusione, invece, presenta altre problematiche (in primo luogo, il confinamento dei plasmi utilizzati) che rendono più complicata la realizzazione di reattori commercialmente utili. Gli scienziati sono tuttora alla ricerca di un metodo per ottenere un bilancio energetico positivo dalla fusione.

Energia nucleare dalla fissione

Nei reattori nucleari a fissione vengono indotte, sostenute e controllate reazioni a catena di fissione dell’uranio 235. Un nucleo di questo isotopo, bombardato da un neutrone, si spezza in due frammenti, generando grandi quantità di energia. Questa viene prelevata da appositi circuiti di raffreddamento e trasferita alle turbine per mezzo del vapore di un circuito secondario. Ha quindi luogo la conversione dell’energia termica del vapore in energia elettrica, che viene poi immessa nella rete di distribuzione.

Vantaggi

L’analisi dell’equazione (2) di fissione dell’uranio 235 consente di evidenziare subito il principale vantaggio del nucleare: l’enorme quantità di energia che ogni singola fissione produce. La quantità di energia che si può ricavare da un nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene da qualunque reazione chimica (e quindi anche dalla combustione), cioè dalle trasformazioni che coinvolgono solo la parte più esterna dell’atomo. Nella combustione del petrolio, ad esempio, 1 kg di combustibile produce una quantità di calore che corrisponde a circa 1,6 kilowattora; in una tipica reazione nucleare di fissione, invece, la stessa quantità di uranio 235 sviluppa calore equivalente a 18,7 milioni di kilowattora. Tenuto conto anche delle fasi di estrazione e di processamento, inoltre, il costo di produzione dell’energia nucleare è in assoluto il più basso di tutte le fonti di energia, rinnovabili e non rinnovabili.

Rispetto ai combustibili fossili, la produzione di energia nucleare non comporta l’emissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e di azoto, principali responsabili di fenomeni ambientali quali le piogge acide e l’effetto serra. Infine, l’alto rendimento del combustibile nucleare rispetto a quello fossile comporta anche vantaggiosi risparmi di spazio in fase di trasporto e in termini di dimensioni degli impianti.

Svantaggi: energia nucleare e sicurezza

Gli svantaggi dello sfruttamento dell’energia nucleare derivano dall’elevato livello di radioattività che accompagna tutte le fasi del processo produttivo, dalla reazione di fissione vera e propria fino allo smaltimento dei rifiuti. Tutta questa radioattività impone una serie di rigorosissime misure di controllo e protezione nelle diverse fasi di produzione. Inoltre, per quanto molto piccolo, e per quanto i sistemi di sicurezza e controllo siano sempre più affidabili, rimane sempre il rischio di gravi incidenti come quello di Černobyl (vedi Reattore nucleare).

Il problema delle scorie radioattive

Una delle questioni più delicate riguardanti la produzione di energia nucleare è quella dell’immagazzinamento a lungo termine delle scorie. Per scorie radioattive si intende tutto il complesso dei materiali entrati in qualche misura nel processo di produzione dell’energia nucleare, già radioattivi in origine o contaminati successivamente: dalle barre di combustibile usato, che contengono i frammenti di fissione, altamente radioattivi, alle strutture di contenimento, ai fluidi del circuito di raffreddamento. Questi materiali rimangono radioattivi per tempi lunghissimi, dell’ordine di milioni di anni, il che impone che vengano stipati in siti geologicamente stabili, e protetti da strutture capaci di schermare tutti i tipi di radiazione.

La quantità di scorie prodotte non è eccessiva, soprattutto se paragonata a quella generata in proporzione dagli impianti di sfruttamento dei combustibili tradizionali: si stima che un tipico reattore a fissione da 1000 MW produca ogni giorno circa 3,2 kg di scorie e, in trent’anni, circa 30 tonnellate; a parità di energia erogata, si calcola che i rifiuti generati da un impianto di combustione del carbone ammonterebbero invece a circa 8 milioni di tonnellate, vale a dire a una quantità in peso 200.000 volte superiore.

Le attuali tecniche di processamento delle scorie prevedono un primo trattamento chimico o meccanico di riduzione del volume e un successivo stoccaggio in contenitori di acciaio inox, all’interno di cavità sotterranee. Per alcuni tipi di scorie si procede preventivamente alla “vetrificazione”. I siti geologici più adatti ad accogliere materiali radioattivi potrebbero essere formazioni granitiche molto compatte o formazioni argillose a permeabilità molto bassa. I ricercatori stanno vagliando altre possibilità, quali l’eliminazione delle scorie mediante invio nello spazio (su un’orbita solare) o il riciclo del materiale radioattivo più pericoloso, mediante irraggiamento con neutroni e produzione di materiale fissile riutilizzabile.

Produzione di energia nucleare nel mondo

STATO

PRODUZIONE NEL 1999* (TWh**)

 

USA	727,7
Francia	375
Giappone	306,9
Germania	160,4
Russia	110,9
Corea del Sud	97,8
Regno Unito	91,2
Canada	70,4
Svezia	70,1
Ucraina	67,35
Spagna	56,5
Belgio	46,6
Svizzera	23,52
* Sono elencate soltanto le produzioni superiori a 20 TWh ** 1 terawattora (TWh) = 1012 Wh